手把手教你測(cè)IGBT內(nèi)部電容

目前，IGBT技術(shù)正全面快速的更新?lián)Q代，IGBT器件也在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為了進(jìn)一步了解IGBT特性，從而滿足器件性能、參數(shù)的進(jìn)一步提升和優(yōu)化，對(duì)IGBT內(nèi)部結(jié)電容的準(zhǔn)確測(cè)量也是非常必要的。

一、IGBT內(nèi)部結(jié)電容有哪些

由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，IGBT內(nèi)部存在許多寄生電容，這些等效電容可以簡(jiǎn)化為IGBT各級(jí)之間的電容：

1、輸入電容Cies：Cies=CGC+CGE

當(dāng)輸入電容充電致閾值電壓時(shí)器件才能開(kāi)啟，放電致一定值時(shí)器件才可以關(guān)斷，因此主要影響器件的開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)損耗。

2、輸出電容Coes：Coes=CGC+CCE

主要影響器件VCE的變化，限制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的dv/dt。Coes造成的損耗一般可以被忽略。

3、反向傳輸電容Cres：Cres=CGC

也常叫米勒電容，主要影響器件柵極電壓VGE和VCE的耦合關(guān)系。

二、IGBT開(kāi)啟過(guò)程中電容如何充電

第一階段：施加的柵極電流對(duì)CGE充電，柵壓VGE上升，至閾值電壓VGE(th)。過(guò)程中集電極和發(fā)射極之間電壓是無(wú)變化的，ICE為零。這段時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間。

第二階段：柵極電流對(duì)CGE和CGC充電，IGBT的集電極電流ICE開(kāi)始增加，并達(dá)到最大負(fù)載電流IC，由于存在二極管的反向恢復(fù)電流，這個(gè)過(guò)程與MOSFET的開(kāi)啟有所不同。柵壓VGE達(dá)到米勒平臺(tái)電壓。

第三階段：柵極電流繼續(xù)對(duì)CGE和CGC充電，此時(shí)柵壓VGE保持不變，但是VCE開(kāi)始快速下降。

第四階段：柵極電流繼續(xù)對(duì)CGE和CGC充電，VCE緩慢下降成穩(wěn)態(tài)電壓，米勒電容隨著VCE的減小而增大。此時(shí)柵壓VGE仍保持在米勒平臺(tái)上。

第五階段：柵極電流繼續(xù)對(duì)CGE充電，柵壓VGE開(kāi)始增大，IGBT完全開(kāi)啟。

其中，第三、四階段柵極出現(xiàn)一個(gè)恒定的電壓，這種現(xiàn)象叫作米勒平臺(tái)或米勒電壓。這段時(shí)間，柵極的充電過(guò)程是由CGC決定的。VCE不斷降低，電流IGC通過(guò)CGC給柵極放電，這部分電流需要驅(qū)動(dòng)電流IDirver來(lái)補(bǔ)償。

三、IGBT電容如何測(cè)試

1、測(cè)試設(shè)備

Keysight B1505A 功率器件分析儀/曲線追蹤儀、N1272A和N1273A組件。

Keysight B1505A是一個(gè)功能強(qiáng)大的測(cè)量和表征工具，通過(guò)連接N1272A和N1273A組件，能夠完成IGBT器件CV測(cè)試。

2、測(cè)試頻率的選擇

由于測(cè)試電路中必然存在雜散電感和電容，如果將測(cè)試電路簡(jiǎn)化為一個(gè)RCL串聯(lián)電路，那么穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓和電流的關(guān)系為

，化簡(jiǎn)即：

在模塊封裝和測(cè)試電路中，電感L的數(shù)量級(jí)一般為nH級(jí)，器件結(jié)電容C的數(shù)量級(jí)一般為nF級(jí)，當(dāng)測(cè)試選擇f=1MHz時(shí)，

是

的10^3-10^6倍，L可忽略，只側(cè)重電容C的值。

3、測(cè)試過(guò)程與結(jié)果

在完成設(shè)備自身的電容校準(zhǔn)和補(bǔ)償后，B1505A可以生成一個(gè)電容校準(zhǔn)文件。測(cè)試時(shí)，調(diào)用此文件進(jìn)行設(shè)備配置，可完成高精度的測(cè)量。

①輸入電容Cies

IGBT器件與設(shè)備正確連接后，根據(jù)測(cè)試條件，將VGS設(shè)置為0V，頻率設(shè)置為1MHz，調(diào)整VCE電壓掃描范圍，開(kāi)始測(cè)試。測(cè)試完后可得到VCE-Cies曲線，在曲線中某一VCE值對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為Cies。下圖分別為測(cè)試電路和測(cè)試圖：

由于Cies=CGC+CGE，為了消除CCE的影響，器件結(jié)電容C的數(shù)量級(jí)一般為nF級(jí)，在CE兩端并聯(lián)一個(gè)1uF的電容，那么CCE和此電容并聯(lián)所得的電容約為1uF，屏蔽了CCE。并聯(lián)后的電容又與CGC串聯(lián)，1uF的電容又被CGC屏蔽了。輸入電容即為CGC和CGE并聯(lián)所得。

其中，電路中GE間的電阻（100kΩ）作用是虛短路，防止IGBT狀態(tài)的不穩(wěn)定。CE間的電阻（100kΩ）利用高阻抗性，避免電源部分對(duì)電路測(cè)量的影響。GE間的電容（100nF）是為了隔絕直流電壓直接加在設(shè)備上。

②同理，輸出電容Coes

由于Coes=CGC+CCE，考慮如何消除CGE的影響。直接使C極和E極短路，則CGC與CCE并聯(lián)，所得的電容值為Coes。

其中，GE和CE間的電容均為100nF，GE和CE間的電阻均為100kΩ。

③反向恢復(fù)電容Cres

其中，GE和CE間的電容均為100nF，GE和CE間的電阻均為100kΩ。

將三條電容曲線放在一張圖中，則可得到下圖：

可以看出，IGBT的結(jié)電容隨著VCE的增大而逐漸減小，此現(xiàn)象尤其在低電壓0~5V時(shí)比較明顯。

一般認(rèn)為，柵極通過(guò)氧化層與其它層之間的等效電容不隨電壓的變化而變化（包括柵極與芯片金屬層之間的C1，柵極與N-區(qū)之間的C2，柵極和P溝道之間的C3，以及柵極與N+發(fā)射區(qū)之間的C4）。

半導(dǎo)體內(nèi)部其他電容是空間電荷區(qū)作用的結(jié)果，會(huì)隨著電壓的變化而變化（包括半導(dǎo)體材料上表面與N-區(qū)之間的C5，與P溝道之間的C6，以及P溝道和N-區(qū)之間的C7）。這些電容可等效為電壓控制的平面電容器。根據(jù)下式，

其中，A為電容器的表面積（cm2）;d為空間電荷區(qū)的寬度（cm），C為電容（F）。

所以電容與電壓的大小和載流子的濃度有關(guān)，隨著VCE的增大，pn結(jié)不斷耗盡，耗盡層越來(lái)越寬，相當(dāng)于寬度d變大，反應(yīng)到電容上就是呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。